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CA 02212943 1997-08-11
WO 96/26631 PCT/FR96/00150
PROCEDE DE FABRICATION D'UNE CARTE ELECTRONIQUE
A REFROIDISSEMENT PAR CONDUCTION THERMIQUE
La présente invention se rapporte au domaine de la dissipation
thermique des composants électroniques sur les circuits imprimés et a plus
particulièrement pour objet un procédé de fabrication d'une carte
électronique à refroidissement par conduction thermique.
Dans le secteur des composants électroniques, les circuits intégrés
deviennent aujourd'hui de plus en plus petits tout en réalisant des fonctions
de plus en plus complexes. L'accroissement de la densité d'intégration
conduit à une augmentation de la densité thermique dissipée dans les
boîtiers renfermant les cartes électroniques, dont les dimensions physiques
restent toujours du même ordre de grandeur. II apparaît alors des problèmes
pour évacuer l'énergie dissipée en chaleur au cours de leur fonctionnement.
II s'ensuit que, à mesure que les dimensions des circuits intégrés
diminuent, la résolution des problèmes posés par la dissipation thermique
devient de plus en plus difficile et coûteuse. En raison de problèmes d'ordre
économique l'industrie électronique à application essentiellement militaire
s'est orientée vers le secteur industriel civil.
Actuellement, on constate une forte expansion du matériel élec-
tronique dans le secteur industriel civil, qui rivalise aujourd'hui, sur le
plan
fonctionnel, avec certains matériels militaires.
Pour utiliser des cartes conçues initialement pour des usages civils, il
se pose alors des problèmes de contraintes d'environnement et des
contraintes climatiques plus sévères dans le domaine militaire que dans le
domaine civil.
Les fabricants de composants électroniques spécifient toujours une
température maximale de fonctionnement au-delà de laquelle les caracté-
ristiques du composant ne sont plus garanties. Selon la fonction du com-
posant et son domaine d'application la température maximale varie de +70 C
pour la gamme industrielle à+125 C pour la gamme militaire. L'utilisation de
composants initialement prévus pour fonctionner à une température
maximale de 70 C et destinés à fonctionner à une température supérieure
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nécessite un refroidissement local de la carte électronique équipée des
composants.
Le refroidissement local permet de maintenir une température de
fonctionnement compatible avec la température maximale admissible pour
une utilisation normale de la carte. '
Il est connu, pour favoriser la dissipation thermique de composants
càblés sur une carte de circuit imprimé, d'utiliser un dispositif de transfert
de
chaleur par conduction placé entre les composants et le capot du boîtier
métallique renfermant la carte équipée des composants, le capot étant utilisé
en tant que plaque froide dissipatrice.
Dans un mode de réalisation connu, un sachet plastifié contenant un
liquide refroidisseur du type fluoradiateur est utilisé ; un sachet de ce type
est vendu sous le nom commercial de FLUORINERT.
Un tel dispositif de dissipation de chaleur est difficile à mettre en
oeuvre dans des dispositifs contenant de multiples cartes comme, par
exemple, des bacs à cartes équipant des structures en baies. En effet, les
cartes sont généralement positionnées verticalement à l'intérieur du bac et
l'espace réduit entre cartes ne permet pas d'insérer une plaque froide
dissipatrice. D'autre part, du fait de la position verticale des cartes, un
dispositif du type sachet refroidisseur, ne serait plus maintenu sur la carte.
Enfin, le dispositif de type sachet possède une certaine rigidité et ne
s'applique que sur le dessus des composants électriques qui émergent le
plus de la carte imprimée. L'interface entre les composants et le sachet n'est
pas optimisée. Ainsi certains des composants qui ne sont pas au contact du
sachet ne peuvent être refroidis suffisamment pour leur permettre de
fonctionner dans les gammes de température spécifiées pour les
applications militaires. Ce qui exclut de ces applications les cartes ainsi
équipées.
Pour résoudre ce problème et permettre l'utilisation de n'importe
quelle carte du commerce pour des usages militaires, la demanderesse a
décrit dans la demande de brevet français N 92 06041 déposée le 19 mai
1992 et publiée le 26 novembre 1993 sous le N 2 691 604, un procédé
consistant à former sur une carte quelconque équipée de composants un
drain thermique rigide, fixé à la carte, épousant au plus près les composants
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et autorisant ainsi leur refroidissement même pour les températures les plus
hautes de la gamme militaire, la carte pouvant être utilisée dans des ma-
tériels comportant des bacs à cartes.
Pour cela, ce procédé utilise un système de suivi de la face
comportant les composants électroniques, ou d'une empreinte de cette face,
qui utilise un capteur mécanique dont la précision, la robustesse, et la
rapidité de balayage, sont faibles.
Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose un procédé de
fabrication d'une carte électronique à refroidissement par conduction
thermique, cette carte comportant un circuit imprimé sur lequel des
composants électroniques sont fixés sur au moins une des faces du circuit
imprimé, ce circuit étant associé à un dispositif d'évacuation de la chaleur,
dans lequel :
- on forme une empreinte de la face du circuit imprimé équipée des
composants,
- on fait suivre l'empreinte par un capteur de position pour décrire
toute sa surface,
- on convertit et on traite à l'aide d'un système informatique les
informations de position issues du capteur afin de constituer un programme
d'usinage,
- à partir du programme d'usinage on usine avec une machine outil
programmable un drain thermique rigide dont une face est adaptée pour
épouser au plus près la face du circuit imprimé équipée des composants
- on recouvre par le drain thermique la face du circuit imprimé équipée
des composants, et
- on fixe mécaniquement le drain thermique sur le circuit imprimé
équipé des composants;
ce procédé étant principalement caractérisé en ce que le capteur de
position comprend une tête de numérisation laser permettant d'obtenir les
coordonnées des différents points de ladite face.
Selon une autre caractéristique, on ménage dans le drain des
épargnes permettant d'accéder à certaines parties de ladite face et/ou des
composants qu'elle supporte.
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Selon une autre caractéristique, on fait suivre au capteur de position
directement la face du circuit imprimé équipée des composants.
Selon une autre caractéristique, on munit le drain d'un système de
circulation de liquide permettant de refroidir ce drain.
Selon une autre caractéristique, ce système de circulation est du type
serpentin.
Selon une autre caractéristique, on réunit le drain à la masse
électrique de la carte pour blinder cette carte au point de vue
électromagnétique.
Selon une autre caractéristique, on prolonge le drain jusqu'aux bords
de la carte, et on amincit les bords de ce drain pour leur permettre de
s'insérer dans les glissières de maintien de la carte, ce qui permet
d'utiliser
des glissières de type thermique.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clai-
rement dans la description suivante, présentée à titre d'exemple non limitatif
et faite en regard des figures annexées qui représentent :
- la figure 1 a, une vue en coupe de l'assemblage d'un drain thermique
réalisé suivant le procédé selon l'invention, avec un circuit imprimé équipé
de composants;
- la figure 1 b, la vue en coupe de l'assemblage précédent complété
d'un matériau assurant l'interface entre le drain et le circuit imprimé équipé
de composants;
- la figure 1 c, la vue en coupe de l'assemblage précédent avec un
drain réalisé selon une variante de l'invention;
- la figure 2, une prise d'empreinte d'une carte électronique;
- la figure 3, un premier mode de réalisation du procédé selon
l'invention;
- la figure 4, un deuxième mode de réalisation du procédé selon
l'invention; et
- la figure 5, une variante de réalisation de l'invention.
Dans la description qui suit, les éléments communs à chacune des
figures sont identifiés par un même repère.
La figure la illustre une vue en coupe d'une carte électronique à
refroidissement thermique fabriquée suivant le procédé selon l'invention.
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Cette carte comporte un assemblage d'un drain thermique 1 avec un circuit
imprimé 2 équipé de composants électroniques 3i. La face 4 du drain
thermique 1, en regard des composants 3i, suit exactement la face 5 du
circuit imprimé 2 équipée des composants 3i et vient s'ajuster parfaitement
5 sur celle-ci. Les deux faces, 4 et 5, sont séparées par un espace vide 6 de
quelques dixièmes de millimètres correspondant par exemple à l'épaisseur
d'un film décrit ultérieurement.
L'espace 6 est avantageusement utilisé d'une part pour assurer un
couplage thermique entre le drain 1 et le circuit imprimé 2 et d'autre part
pour
assurer un couplage mécanique en fixant le drain 1 sur le circuit imprimé 1
équipé des composants 3i. Comme le montre la vue en coupe de la figure
lb, le couplage mécanique et thermique est réalisé par un ou plusieurs
matériaux 7 assurant indépendamment ou conjointement les fonctions
d'isolant électrique et de bon conducteur thermique, et pouvant être adhésif.
Ce matériaux peut être par exemple un mastic, une résine, un vernis, une
graisse, ou un gel, insérés entre la face 4 du drain 1 et la face 5 du circuit
imprimé 2 équipée des composants 3i. Les matériaux 7 comblent
complètement l'espace 6 et assurent ainsi un couplage thermique surfacique
sans points d'accumulation de chaleur.
Le drain thermique 1 ainsi fixé sur le circuit imprimé 2 assure par
ailleurs l'étanchéité de la carte électronique, 2 et 3i, notamment vis-à-vis
de
la vapeur d'eau. Les matériaux 7 utilisés pour assurer les couplages
thermique et mécanique peuvent être dissous par un solvant approprié aux
matériaux 7 ou détruits mécaniquement pour permettre le démontage du
drain 1 en cas d'intervention sur les composants électroniques 3i implantés
sur le circuit imprimé 2.
Ce drain thermique 1 garanti également une meilleure rigidité
mécanique de la carte. Il peut donc aussi être considéré comme un
raidisseur mécanique.
En outre, on peut connecter le drain thermique à une référence de
potentiel électrique, la masse de la carte par exemple, pour lui permettre de
jouer le rôle d'écran électromagnétique. Cette protection est particulièrement
efficace pour résoudre les problèmes de compatibilité électromagnétiques
entre cartes voisines d'un même bac.
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Comme le montre la vue en coupe de la figure lc, la face 8 du drain
thermique 1 opposée aux composants 3i peut être avantageusement profilée.
Elle est par exemple aménagée d'entailles 9i, de type ailettes de radiateur,
permettant ainsi d'augmenter l'échange thermique par convection entre le
drain thermique 1 et l'air ambiant.
La figure 2 illustre une première étape d'un premier mode de
réalisation du procédé selon l'invention, dans laquelle on effectue une prise
d'empreinte de la face 5 du circuit imprimé 2 et des composants 3i implantés
sur le circuit imprimé 2.
Une carte quelconque, 2 et 3i, du commerce, constituée du circuit
imprimé 2 et des composants 3i implantés sur le circuit imprimé 2, peut être
revêtue provisoirement d'un film 10 de faible épaisseur, par exemple de
l'ordre de 0,5 mm. Le film 10 est réalisé dans un matériau rigide
thermoformable et de préférence antistatique pour prévenir toute décharge
électrostatique pouvant détruire certains composants fragiles en contact
avec le film 10.
Pour déformer le film 10, un exemple de technique connue consiste à
ramollir le film 10 réalisé dans un matériau thermoplastique, par exemple un
matériau du type Macrolon (marque déposée), polycarbonate, PVC, etc.,
sous l'action d'une source de chaleur et en même temps, à aspirer le film 10
vers les composants 3i en créant une dépression soit un vide partiel entre le
film 10 et le circuit imprimé 2.
Le film 10 épouse ainsi au plus près la forme des composants 3i et
peut rejoindre par endroit la surface du circuit imprimé 2 dans les espaces
les plus larges entre composants 3i. Une fois refroidi, le film 10 conserve la
déformation subie par l'opération précédente sous la forme d'une empreinte,
correspondant en fait au relief adouci, ou lissé, du relief réel présenté par
les
composants 3i répartis sur la surface du circuit imprimé 2.
A partir de l'empreinte du relief, éventuellement matérialisée par le
film 10 comme précédemment décrit, une deuxième étape du premier mode
de réalisation du procédé selon l'invention, illustrée par la figure 3,
consiste
pour former le drain thermique 1 adapté à la carte, 2 et 3i, dont on a réalisé
l'empreinte, à utiliser un capteur (X.Y.Z)de position 11. Selon l'invention,
la
côte en hauteur Z est obtenue à l'aide d'un palpeur optique fonctionnant à
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partir d'un faisceau laser 110. Ce capteur parcourt la surface du film 10, ou
de la carte, et transmet les informations tridimensionnelles (X-Y-Z) de
= position à une machine outil programmable 12 sous forme d'un programme
d'usinage 13. Ce capteur peut en particulier être formé d'une tête de
numérisation telle que celles qui sont utilisées de manière connue dans les
systèmes d'usinage intégrés. La mesure de la distance s'effectue de manière
connue par triangulation. Pour faciliter la poursuite par le faisceau laser
dans
le cas où l'on n'utilise pas le film 10, on peut saupoudrer la surface de la
carte comportant les composants avec une poudre blanche qui permet une
rétro diffusion correcte du faisceau laser.
Le drain thermique 1 est usiné dans un matériau rigide et bon
conducteur thermique, par exemple un alliage d'aluminium, et constitue ainsi
le "négatif' de la face 5 du circuit imprimé 2 équipé des composants 3i.
Dans une variante de réalisation particulière, on ménage dans le drain
des épargnes, c'est-à-dire des trous, permettant d'accéder à certaines
parties de ladite face (5) et/ou des composants qu'elle supporte
Dans des applications particulières, comme les missiles ou les
torpilles, le point d'équilibre thermique entre le drain thermique et le
milieu
ambiant n'est pas atteint dans la durée très brève d'utilisation de la carte
(utilisation transitoire). Le drain thermique utilisé sert alors de réservoir
calorifique.
L'aluminium est un matériau à fort pouvoir d'emmagasinage de
calôries. De plus un drain thermique réalisé dans un matériau à base
d'aluminium, peut être aménagé pour recevoir des matériaux à changement
de phase solide/solide, tel que l'acétamide, ou liquide/vapeur tel que le
méthanol. Ces matériaux, sous forme d'inserts sont placés dans l'épaisseur
du drain thermique et permettent ainsi d'augmenter la capacité calorifique du
drain thermique.
En outre, on peut inclure au sein du drain ainsi réalisé un système de
circulation de liquide, par exemple un serpentin, qui permet un
refroidissement par circulation d'un liquide provenant d'une source
extérieure.
On peut aussi avantageusement usiner les bords 16 du drain, de
manière à les amincir, par exemple jusqu'à une épaisseur de 5 dixièmes de
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millimètre, pour pouvoir les prolonger jusqu'à l'aplomb des bords du substrat
2 de la carte.
De cette manière, les bords du drain pourront glisser, comme ceux de la carte,
dans les glissières de maintien de celle-ci dans le bac destiné à la
recevoir. On pourra alors utiliser pour ces glissières des modèles dits
"thermiques". Ces glissières thermiques, connues en elles-mêmes,
permettent de refroidir les côtés de la carte, et donc du drain, en
transférant
les calories depuis le drain jusqu'à un puits thermique extérieur à la carte.
Ce
puits thermique peut être par exemple une plaque froide faisant partie du bac
recevant les cartes et comportant ces glissières. Ce système, qui peut
également fonctionner au niveau du connecteur de la carte, est notamment
décrit dans la demande de brevet français N 89 09638 déposée par la
demanderesse le 18 juillet 1989 et publiée le 25 janvier 1991 sous le N 2
650 146.
Un deuxième mode de réalisation d'un drain thermique selon l'in-
vention, illustré par la figure 4, consiste à relever directement le profil
14,
matérialisé par une ligne en pointillés, de la face 5 présentée par la carte
imprimée 2 et les composants 3i pour décrire toute la surface de la face 5
sans passer par l'intermédiaire du film 10.
Le capteur de position 15 est étudié pour tangenter le profil 14. Le
traitement des informations de position (X-Y-Z) étant ensuite identique à
celui du premier mode de réalisation, il ne sera donc pas décrit de nouveau.
Pour conserver l'espace 6 correspondant, dans les précédents modes de
réalisation, à l'épaisseur du film 10 et permettant le couplage mécanique et
thermique entre le drain 1 et le circuit imprimé 2 équipé des composants 3i,
il
suffit de prévoir dans le programme d'usinage 13 un décalage, par exemple
de 0,5 mm, entre le profil réel 14 relevé par le capteur 15 et le profil à
usiner
correspondant à la face 4 du drain 1, et un sous-programme de lissage
permettant d'obtenir de reliefs ni trop étroits ni trop pointus.
La dernière étape du procédé suivant l'invention consiste ensuite à
recouvrir le circuit imprimé et les composants 3i implantés sur le circuit 2
par
le drain thermique 1 réalisé suivant l'un des modes de réalisation précédents
et à fixer mécaniquement le drain 1 sur la carte, 2 et 3i, par l'intermédiaire
du
matériau 7 comblant l'espace 6 entre le drain 1 et la carte, 2 et 3i, pour
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assurer le couplage mécanique et thermique entre le drain 1 et la carte, 2 et
3i.
L'invention n'est pas limitée à la description précise des modes de
réalisation précédents :
En particulier, tous les matériaux constituant le drain, le film ainsi que
l'interface entre le drain et la carte électronique équipée des composants,
possédant les caractéristiques utiles à l'invention, rentrent dans le cadre de
la présente invention.
De même, l'invention n'est pas limitée à un circuit imprimé sur une
seule face et peut s'étendre également à un circuit imprimé sur les deux
faces, la carte comportant alors un drain thermique de part et d'autre du
circuit imprimé.
